磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法技术

本发明专利技术公布了磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，属于磁悬浮电机领域。所述磁悬浮开关磁阻电机由磁轴承和开关磁阻电机集合而成，磁轴承的三个偏置绕组与开关磁阻电机的三相电枢绕组采用串联共同励磁的方式，同时提供转矩和偏置磁通；引入电源压降系数，以量化偏置绕组对电枢绕组的串联分压作用，并给出了利用结构和电磁等参数计算电源压降系数的方法；将电枢绕组实际的脉冲电流波形等效为一个阶梯方波，并将电源压降系数引入到各绕组电流设计值的计算中；最后，基于等效磁路法，获得偏置和电枢绕组的计算方法。本发明专利技术方法考虑了偏置和电枢绕组的分压效应，电流计算简单、准确，绕组匝数设计精度高，实用性强。

Design method of turn number of armature winding and armature winding of magnetic suspension switched reluctance motor

The invention discloses a winding number design method for a bias switch, a reluctance motor, a bias winding and an armature winding, belonging to the field of magnetic suspension motors. The bearingless switched reluctance motor with magnetic bearings and switched reluctance motor assembled three-phase armature winding magnetic bearings three bias winding and switched reluctance motor with series of common mode excitation, while providing torque and magnetic flux; introduce power supply pressure drop coefficient, to quantify the bias winding of the armature winding in series pressure effect the method is presented by calculating the power structure and electromagnetic parameters such as pressure drop coefficient; the armature winding of the actual pulse current waveform is equivalent to a ladder square wave, and the power supply voltage coefficient is introduced to calculate the winding current design value; finally, based on the equivalent circuit method, obtain the calculation method of bias and armature winding. The method of the invention takes into account the partial pressure effect of bias and armature winding, the calculation of the current is simple and accurate, the design accuracy of winding turns is high, and the practicability is strong.

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法
本专利技术涉及磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，属于磁悬浮开关磁阻电机及其设计

技术介绍
磁悬浮开关磁阻电机因集旋转与悬浮两功能于一体，不仅有效解决高速运行时轴承摩擦带来的损耗和发热等问题，还能进一步发挥开关磁阻电机的高速适应性，从而强化其在航空航天、飞轮储能、舰船等高速领域的应用基础。磁悬浮开关磁阻电机由一个磁轴承和一个开关磁阻电机集合而成，磁轴承的m个偏置绕组与开关磁阻电机的m相电枢绕组采用串联共同励磁的方式，同时提供转矩和偏置磁通。由于开关磁阻电机的双凸极结构，其运行时磁场呈现高度非线性，使得其电枢绕组匝数的准确计算更为困难。另外，为提高磁轴承的位移刚度和电流刚度，以提升悬浮控制的动态性能，磁轴承常工作于线性区域。然而，磁轴承的偏置绕组和开关磁阻电机的电枢绕组串联在一起，采用相同的励磁方式，导致二者匝数设计的难度更高。为此，本专利技术引入了一个电源压降系数，以量化偏置绕组对电枢绕组的串联分压作用，并给出了利用结构和电磁等参数计算电源压降系数的方法；将电枢绕组实际的脉冲电流波形等效为一个阶梯方波，并将电源压降系数引入到各绕组电流设计值的计算中；最后，基于等效磁路法，获得偏置和电枢绕组的计算方法。考虑偏置和电枢绕组的分压效应，电流计算简单、准确，绕组匝数设计精度高，实用性强。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术的不足，提出磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，所述方法考虑了偏置绕组和电枢绕组的分压效应，各绕组电流计算准确，且匝数计算精度高。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：磁悬浮开关磁阻电机的偏置绕组和电枢绕组的设计方法，所述磁悬浮开关磁阻电机包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成；所述电机转子由凸极转子和圆柱转子构成；所述电机绕组由转矩绕组和悬浮绕组构成；所述圆柱转子布置在磁轴承定子内，凸极转子布置在磁阻电机定子内；所述磁轴承定子和磁阻电机定子轴向串联布置，所述圆柱转子和凸极转子套在转轴上；所述磁阻电机定子和凸极转子均为凸极结构，所述圆柱转子为圆柱结构；所述磁轴承定子由4个E型结构构成，4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构的齿数为3，所述E型结构的中间齿为宽齿，两边齿为窄齿；每个E型结构中的两个窄齿上均有1个绕组，每个E型结构两个窄齿上的绕组串联形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个绕组反向串联，形成一个悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另一个悬浮绕组；所述两个悬浮绕组空间上相隔90°；所述转矩绕组个数与磁阻电机的相数m相同，每个转矩绕组由一个电枢绕组和一个偏置绕组串联构成；所述磁阻电机定子凸极结构包含有n个定子齿，每个定子齿上绕有1个绕组，所有磁阻电机定子齿上的绕组，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组；其中，n为m的倍数；所述偏置绕组共m个，每个E型结构宽齿上绕有m个线圈；在4个E型结构中，在每个宽齿上选取1个线圈，串联成1个偏置绕组，从而形成m个偏置绕组；所述磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，包括如下步骤：步骤A，计算每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；具体步骤如下：步骤A-1，计算每相偏置绕组自感Lbias和每相电枢绕组最大自感Lmax；其表达式分别为：其中，μ0为真空磁导率，δ为气隙长度，l为磁轴承有效轴向长度，lSRM为磁阻电机有效轴向长度，αs为磁阻电机定子极弧角，αs1为磁轴承定子宽齿的极弧角，r为转子半径，N为电枢绕组匝数，Nb为偏置绕组匝数，kFe为铁心叠压系数，kα为E型结构宽窄定子极弧之比，其表达式为αs2为磁轴承定子窄齿的极弧角；步骤A-2，获得每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；根据所述Lbias和Lmax，及计算公式：得到：其中，Lbias为每相偏置绕组自感，Lmax为每相电枢绕组的最大自感，i为每相转矩绕组电流，t为时间，kL为电枢绕组最大自感与最小自感之比，kL取值区间为[5，8]；步骤B，计算N2αslSRM和其表达式分别为：其中，PN为磁阻电机的额定功率，n为额定转速，Fload为磁轴承的径向负载，IP为每相等效电流的峰值，η为磁阻电机效率，Zr为磁阻电机的转子极数，γ为磁轴承定子的宽齿与窄齿间夹角，k为磁阻电机的磁压降系数，k＝1.1～1.2；步骤C，计算电源压降系数kU，根据所述表达式：得到：其中，ktf为力矩系数，TN为额定转矩，U为每相转矩绕组的电源电压，U＝Ua+Ubias；步骤D，计算偏置绕组和电枢绕组匝数设计的电流值，具体步骤如下：步骤D-1，根据所述PN、U和kU，及计算公式计算出每相等效电流的峰值IP；步骤D-2，根据所述IP，及计算公式计算出电枢绕组匝数设计的电流值Im；步骤D-3，根据所述IP，及计算公式计算出偏置绕组匝数设计的电流值Iav；步骤E，计算电枢绕组和偏置绕组的匝数，具体步骤如下：步骤E-1，计算电枢绕组匝数N；根据所述Im，及计算公式计算出电枢绕组的匝数N，其中，Bδ为磁阻电机电枢绕组产生的气隙磁密，Bδ＝1.0～1.5T；步骤E-2，计算偏置绕组匝数Nb；根据所述Im，及计算公式计算出偏置绕组的匝数Nb，其中，Bb为磁轴承偏置绕组产生的气隙磁密，Bb＝0.3～0.5T；所述磁阻电机定子齿数n为12、凸极转子齿数为8、电机相数m为3，每4个相隔90°的磁阻电机定子齿上的绕组，采用串联、或并列、或串并结合的连接方式，连接在一起，构成1个电枢绕组，共形成3个电枢绕组；所述3个电枢绕组再分别与所述3个偏置绕组进行串联，进而构成3个转矩绕组，即为三相转矩绕组。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种磁悬浮开关磁阻电机的偏置绕组和电枢绕组匝数的设计方法，采用本专利技术的技术方案，能够达到如下技术效果：(1)考虑偏置绕组和电枢绕组的分压效应，引入了一个电源压降系数；(2)基于阶梯型等效电流波形，计及了续流阶段对电磁功率的影响，各绕组电流计算准确；(3)匝数计算精度高、通用性好。附图说明图1是本专利技术一种磁悬浮开关磁阻电机的三维结构示意图。图2是本专利技术一种磁悬浮开关磁阻电机A相转矩绕组的等效波形。图3是本专利技术偏置绕组和电枢绕组的设计流程图。附图标记说明：图1至图3中，1是磁阻电机定子，2是凸极转子，3是电枢绕组，4是磁轴承定子，5是圆柱转子，6是偏置绕组，7是窄齿绕组，8是转轴，9是电枢绕组的自感曲线，10为转矩绕组的实际电流波形，11是转矩绕组的等效阶梯电流波形，12是励磁区间，13是续流区间，14是转子角变化区间，15是偏置绕组匝数设计的电流值，16是电枢绕组匝数设计的电流值。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术一种磁悬浮开关磁阻电机的偏置绕组和电枢绕组匝数的设计方法的技术方案进行详细说明：如图1所示，是本专利技术磁悬浮开关磁阻电机实施例1的三维结构示意图，其中，1是磁阻电机定子，2是凸极转子，3是电枢绕组，4是磁轴承定子，5是圆柱转子，6是偏置绕组，7是窄齿绕组，8是转轴。所述磁悬浮开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，所述磁悬浮开关磁阻电机包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成；所述电机转子由凸极转子和圆柱转子构成；所述电机绕组由转矩绕组和悬浮绕组构成；所述圆柱转子布置在磁轴承定子内，凸极转子布置在磁阻电机定子内；所述磁轴承定子和磁阻电机定子轴向串联布置，所述圆柱转子和凸极转子套在转轴上；所述磁阻电机定子和凸极转子均为凸极结构，所述圆柱转子为圆柱结构；所述磁轴承定子由4个E型结构构成，4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构的齿数为3，所述E型结构的中间齿为宽齿，两边齿为窄齿；每个E型结构中的两个窄齿上均有1个绕组，每个E型结构两个窄齿上的绕组串联形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个绕组反向串联，形成一个悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另一个悬浮绕组；所述两个悬浮绕组空间上相隔90°；所述转矩绕组个数与磁阻电机的相数m相同，每个转矩绕组由一个电枢绕组和一个偏置绕组串联构成；所述磁阻电机定子凸极结构包含有n个定子齿，每个定子齿上绕有1个绕组，所有磁阻电机定子齿上的绕组，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组；其中，n为m的倍数；所述偏置绕组共m个，每个E型结构宽齿上绕有m个线圈；在4个E型结构中，在每个宽齿上选取1个线圈，串联成1个偏置绕组，从而形成m个偏置绕组；其特征在于，所述磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，包括如下步骤：步骤A，计算每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；具体步骤如下：步骤A‑1，计算每相偏置绕组自感Lbias和每相电枢绕组最大自感Lmax；其表达式分别为：...

【技术特征摘要】
1.磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，所述磁悬浮开关磁阻电机包括电机定子、电机转子和电机绕组；所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成；所述电机转子由凸极转子和圆柱转子构成；所述电机绕组由转矩绕组和悬浮绕组构成；所述圆柱转子布置在磁轴承定子内，凸极转子布置在磁阻电机定子内；所述磁轴承定子和磁阻电机定子轴向串联布置，所述圆柱转子和凸极转子套在转轴上；所述磁阻电机定子和凸极转子均为凸极结构，所述圆柱转子为圆柱结构；所述磁轴承定子由4个E型结构构成，4个E型结构在圆周上均匀分布，空间上相差90°；每个E型结构的齿数为3，所述E型结构的中间齿为宽齿，两边齿为窄齿；每个E型结构中的两个窄齿上均有1个绕组，每个E型结构两个窄齿上的绕组串联形成1个窄齿绕组，4个E型结构形成4个窄齿绕组；所述4个窄齿绕组中相隔180°的两个绕组反向串联，形成一个悬浮绕组；另外两个相隔180°的窄齿绕组反向串联，形成另一个悬浮绕组；所述两个悬浮绕组空间上相隔90°；所述转矩绕组个数与磁阻电机的相数m相同，每个转矩绕组由一个电枢绕组和一个偏置绕组串联构成；所述磁阻电机定子凸极结构包含有n个定子齿，每个定子齿上绕有1个绕组，所有磁阻电机定子齿上的绕组，分m组，分别连接在一起，构成m个电枢绕组；其中，n为m的倍数；所述偏置绕组共m个，每个E型结构宽齿上绕有m个线圈；在4个E型结构中，在每个宽齿上选取1个线圈，串联成1个偏置绕组，从而形成m个偏置绕组；其特征在于，所述磁悬浮开关磁阻电机偏置绕组和电枢绕组的匝数设计方法，包括如下步骤：步骤A，计算每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；具体步骤如下：步骤A-1，计算每相偏置绕组自感Lbias和每相电枢绕组最大自感Lmax；其表达式分别为：其中，μ0为真空磁导率，δ为气隙长度，l为磁轴承有效轴向长度，lSRM为磁阻电机有效轴向长度，αs为磁阻电机定子极弧角，αs1为磁轴承定子宽齿的极弧角，r为转子半径，N为电枢绕组匝数，Nb为偏置绕组匝数，kFe为铁心叠压系数，kα为E型结构宽窄定子极弧之比，其表达式为αs2为磁轴承定子窄齿的极弧角；步骤A-2，获得每相偏置绕组端电压Ubias和电枢绕组端电流Ua；根据所述Lbias和Lmax，及计算公式：得到：其中，Lbi...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘泽远，蔡骏，杨艳，曹鑫，邓智泉，郭前岗，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32